subtÀncies pures - blocs.xtec.cat · substàncies tenen unes propietats que no depenen de la...
TRANSCRIPT
SUBTÀNCIES PURES
FÒRMULES I REACCIONS QUÍMIQUES
José Pérez Gómez
ÍNDEX
1 SUBSTÀNCIES PURES: SUBSTÀNCIES SIMPLES I COMPOSTOS ................................... 1
1.1 SUBSTÀNCIES PURES ................................................................................................................... 1
1.2 CLASSIFICACIÓ DE LES SUBSTÀNCIES PURES ............................................................................... 1
1.2.1 SUBSTÀNCIES SIMPLES ....................................................................................................... 1
1.2.2 COMPOSTOS ....................................................................................................................... 2
1.2.3 ELEMENTS .......................................................................................................................... 2
2 NOMENCLATURA I FORMULACIÓ QUÍMICA ............................................................ 12
2.1 INTRODUCCIÓ ........................................................................................................................... 12
2.2 ÀTOMS, MOLÈCULES, COMPOSTOS I FÓRMULES QUÍMIQUES ................................................ 13
2.2.1 FÓRMULA MOLECULAR .................................................................................................... 14
2.2.2 FÓRMULA EMPÍRICA ........................................................................................................ 15
2.2.3 REPRESENTACIÓ DE MOLÉCULES ..................................................................................... 16
3 REACCIONS QUÍMIQUES .......................................................................................... 17
3.1 LLEI DE CONSERVACIÓ DE LA MASSA (LLEI DE LAVOISIER) ....................................................... 18
3.2 L’EQUACIÓ QUÍMICA................................................................................................................. 19
3.2.1 CONCEPTE D’EQUACIÓ QUÍMICA ..................................................................................... 19
3.2.2 AJUSTAMENT O IGUALACIÓ D’UNA EQUACIÓ QUÍMICA ................................................. 19
3.3 UNA REACCIÓ IMPORTANT: LA COMBUSTIÓ ............................................................................ 22
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
1
1 SUBSTÀNCIES PURES: SUBSTÀNCIES SIMPLES I COMPOSTOS
1.1 SUBSTÀNCIES PURES
Com ja hem vist en resums anteriors, cada component d’una mescla és una substància
pura o espècie química. Les substàncies pures no necessàriament formen part d’una
mescla, les podem trobar en forma de compostos o de substàncies simples.
Les substàncies pures són constituïdes per una sola classe de matèria, aquestes
substàncies tenen unes propietats que no depenen de la quantitat de substància i
serveixen per a identificar-les: densitat, temperatures de canvi d’estat físic: punt (o
temperatura) de fusió, punt d’ebullició, punt de solidificació; la conductivitat elèctrica,
la duresa, la reactivitat química, entre d’altres.
Aquestes propietats s’anomenen propietats característiques els valors de les quals són
constants per a cada substància pura, sempre que es mesurin en les mateixes condicions
de pressió i de temperatura. Totes aquestes propietats es troben tabulades a un llibre:
“Handbook of Physical and Chemistry Properties”. Així, per exemple, la densitat de
l’aigua pura (destil·lada) és d’un gram per centímetre cúbic, mesurada a una
temperatura de 20 C i a una atmosfera de pressió.
Si intentem mesurar, per exemple, la densitat d’una mescla, trobarem valors diferents
d’aquesta propietat segons el percentatge dels components que la formen. Així, per
exemple, la densitat d’una dissolució aquosa de sal en la que hem mesclat 20 g de sal i
80 g d’aigua (20 % en massa de sal) serà diferent d’una altra en la que hem mesclat 40 g
de sal i 60 g d’aigua (40 % en massa de sal), per tant, la densitat d’una dissolució d’aigua
i sal –que és, com ja sabeu, una mescla homogènia– no serà constant, dependrà de la
quantitat de cada component. En conseqüència, no podem parlar d’una “veritable”
densitat quan tractem mescles (ja siguin homogènies o heterogènies), sinó d’una
densitat aparent, o d’una densitat de mescla (i, segons alguns autors, d’una densitat
mitjana). Això es fa extensible, per a totes les mescles, a qualsevol altra propietat:
temperatures de canvi d’estat, conductivitat tèrmica, conductivitat elèctrica, etc.
1.2 CLASSIFICACIÓ DE LES SUBSTÀNCIES PURES
Les substàncies pures es poden classificar en substàncies simples i compostos.
1.2.1 SUBSTÀNCIES SIMPLES
Les substàncies simples són substàncies pures constituïdes per un únic tipus
d’element i un element és una substància pura constituïda per un mateix tipus
d’àtom1. Així, les substàncies simples són substàncies pures formades per un únic tipus
d’àtom. L’oxigen, O2, el nitrogen, N2, i l’argó, Ar, una vegada separats cada un de l’aire,
són substàncies simples. També ho són el ferro, Fe, el sofre, S, el carboni, C, etc.
1 Més endavant veurem amb més detall què és un àtom.
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
2
1.2.2 COMPOSTOS
Els compostos són substàncies pures constituïdes per elements diferents (i, en
conseqüència, per diferents tipus d’àtoms). L’aigua destil·lada, H2O, la sal comuna,
NaCl, el sucre, C6H12O6, la cal viva, CaO2, etc. són compostos.
Els compostos, mitjançant processos químics -com l’electròlisi, per exemple–, es poden
transformar en substàncies més senzilles: les substàncies simples.
Cal remarcar que els elements que formen un compost sempre es troben a la mateixa
proporció en aquest compost. Per exemple, en 100 g de clorur de sodi, NaCl, -la sal
comuna– sempre hi ha 39,3 g de sodi, Na, i 60,7 g de clor, Cl, independentment d’on
agafem la mostra de sal, a la Xina o a Perú.
1.2.3 ELEMENTS
1.2.3.1 UNA MICA D’HISTÒRIA
Els antics grecs coneixien alguns elements, encara que mai els hi havien considerat:
l’or, l’argent, el coure, el ferro, l’estany, el plom, el mercuri, el carboni i el sofre.
A l’edat mitjana havien estat descoberts l’arsènic, l’antimoni, el bismut i el zinc.
Així, al segle XVII, ja es coneixien 13 elements. En aquesta època, Robert Boyle es
plantejava què era un element químic. Si els elements s’han de considerar com les
substàncies bàsiques de què està constituïda la matèria, un element no es podria
descompondre en substàncies més senzilles. L’experimentació s’obria pas per
determinar quines substàncies eren elements.
El segle XVIII es va caracteritzar pel descobriment d’elements metàl·lics i gasosos: el
cobalt, el platí, el níquel, el manganès, el molibdè, el tel·luri, el tungstè, l’hidrogen, el
nitrogen, l’oxigen, el clor, l’urani, el zirconi, el titani, l’itri, el beril·li i el crom.
El segle XIX va ser el segle d’or del descobriment d’elements químics: una cinquantena
en total. El segle XX s’ha caracteritzat pel descobriment de molts elements de dos
grups anomenats lantànids i actínids i per haver-ne obtingut d’altres artificialment.
Ara per ara, es coneixen 118 elements químics, entre els naturals (90) i els artificials.
1.2.3.2 ELS SÍMBOLS DELS ELEMENTS
La simbologia actual dels elements va ser proposada al segle passat pel químic suec
Jöns J. Berzelius i es basa en la utilització de les lletres de l’alfabet.
“ El símbol d’un element químic es representa per la lletra inicial majúscula del nom
en llatí de l’element. Quant els noms de dos o més elements comencen per la
mateixa lletra, el símbol és aleshores la primera lletra –per a un d’ells– o bé la
primera seguida d’una altra –per a l’altre–. La segona sempre s’escriu en minúscula ”
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
3
Exemples:
Nom de l’element Símbol Nom de l’element Símbol
hidrogen H carboni C
mercuri Hg calci Ca
nitrogen N cobalt Co
sodi Na clor Cl
fòsfor P coure Cu
Com heu pogut constatar, els noms dels elements sempre s’escriuen en minúscula.
L’element 104 va ser obtingut de forma simultània a l’URSS i als EUA. Uns el van
anomenar kurtxatovi (Ku) i els altres rutherfodi (Rf). Això va passar també amb
l’element 105: hafni (Ha) per uns i nielsbohri (Ns) per als altres. Per evitar conflictes es
va proposar que els elements a partir del 104 s’anomenin de la forma següent:
104 unnilquadi (Unq), “un” = 1, “nil” = 0 i “quadi” = 4.
105 unnilpenti (Unp), “un” = 1, “nil” = 0 i “penti” = 5.
1.2.3.3 CONSTITUCIÓ DELS ELEMENTS: ELS ÀTOMS
Les partícules més petites que constitueixen els elements –i que conserven les seves
propietats– són els àtoms.
En un principi es pensava que les partícules més petites que es podrien obtenir de la
matèria eren els àtoms. Actualment sabem que l’àtom té un nucli i una capa
electrònica. El nucli és format per protons i neutrons. A la capa electrònica hi ha els
electrons:
Figura 1. Constitució d’un àtom
Les partícules més petites que l’àtom reben el nom de partícules subatòmiques. En
són exemples el protó, el neutró i l’electró. Però n’hi ha més (muó, tauó, neutrí, quark,
fotó, gluó, bosons W i Z, etc.) i, fins i tot n’existeix una classificació.
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
4
Propietats físiques
Partícules subatòmiques Massa (kg) Càrrega elèctrica (C)
Protó (p+) 1.67262·10-27 1.602·10-19
Neutró (n0) 1.67492·10-27 0
Electró (e-) 9.10938·10-31 -1.602·10-19
Com podem observar, la massa del protó i la del neutró són molt semblants, però la
massa de l’electró és unes 1830 vegades més petita que la del protó (o la del neutró).
També observem que la càrrega del protó i la de l’electró és la mateixa, però la del
protó és positiva mentre que la de l’electró és negativa. D’altra banda, el neutró no té
càrrega elèctrica (d’aquí el seu nom, ja que és neutre, no té càrrega elèctrica).
El protó se sol simbolitzar amb la lletra minúscula “p” i un signe positiu, +, com a
superíndex dret, ja que està carregat positivament. Pel neutró s’utilitza la lletra
minúscula “n” i un signe zero, 0, –o cap– com a superíndex dret, ja que no té càrrega
elèctrica, mentre que l’electró se simbolitza amb la lletra minúscula “e” i un signe
negatiu, -, com a superíndex dret, ja que la seva càrrega és negativa (i igual, en valor
absolut, a la del protó).
Com que a l’ésser humà li costa entendre fenòmens que no són observables pels
sentits –com és el cas dels que tenen lloc al món subatòmic–, de vegades es recorre a
models i representacions per entendre aquests fenòmens. Un d’aquests models
s’assembla al model planetari i situa al nucli com a centre (planeta) i els electrons
actuen de satèl·lits, voltant en torn del nucli, en òrbites concèntriques. En realitat no
succeeix així, però la seva representació ens ajuda a entendre una mica aquest món
que no podem observar amb els nostres sentits:
Figura 2. Representació de l’àtom d’heli
En la Figura 2 observem el nucli d’un àtom d’heli, situat al centre, amb 2 protons
carregats positivament i 2 neutrons, sense càrrega. Al voltant del nucli orbiten 2
electrons, carregats negativament.
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
5
Com us n’haureu adonat, quasi tota la massa d’un àtom està al nucli, ja que els
protons i els neutrons, amb una massa molt més gran que els electrons, es troben
situats al nucli. A més, el nucli –format pels protons i els neutrons– ocupa molt poc
volum comparat amb el volum total de l’àtom (fixeu-vos a la Figura 2). Així, el nucli és
la part més densa de l’àtom (molta massa en poc volum).
1.2.3.3.1 NOMBRE ATÒMIC. NOMBRE MÀSSIC. ISÒTOPS
El que caracteritza els àtoms d’un element és el nombre de protons que tenen al
nucli, que rep el nom de nombre atòmic, i que se simbolitza amb la lletra Z.
Així, podem redefinir el concepte d’element químic:
“ Un element químic és una substància pura que està formada per àtoms amb el
mateix nombre atòmic, Z, és a dir, amb el mateix nombre de protons ”
hidrogen 1 protó: Z = 1 heli 2 protons: Z = 2
Els nuclis dels àtoms d’un mateix element poden tenir diferent nombre de neutrons.
Aquests àtoms s’anomenen isòtops de l’element.
El nombre de protons més el de neutrons del nucli d’un àtom se l’anomena nombre
de massa (o nombre màssic) i se simbolitza per la lletra A.
Matemàticament, s’expressaria així:
nre. protons + nre. neutrons = nre. de massa
Com que Z = nre. de protons i A = nombre de massa:
Així, podem calcular el nombre de neutrons d’un àtom d’un element de la següent
forma:
Per indicar el nombre de massa d’un isòtop d’un element s’escriu el nom de l’element
i després el nombre de massa, separats per un guió:
carboni - 12 (àtom de carboni de nombre de massa 12).
carboni - 13 (àtom de carboni de nombre de massa 13).
Podríem ara definir isòtops d’un element com els àtoms d’aquell element que tenen el
mateix nombre de protons (és a dir, mateix nombre atòmic, Z) però diferent nombre
de neutrons (i, en conseqüència, diferent nombre màssic, A).
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
6
Quan fem servir el símbol de l’element el nombre de massa es col·loca a la part
superior esquerra, i el nombre atòmic a la part inferior esquerra:
Tots els àtoms de clor tenen 17 protons al nucli, però n’hi ha amb 18 (35-17) neutrons i
d’altres amb 20 (37-17) neutrons (així, el clor-35 i el clor-37 són isòtops de l’element
clor, Cl).
“ En un àtom neutre el nombre de protons del nucli coincideix amb el nombre
d’electrons a la capa electrònica “
1.2.3.4 IONS: CATIONS I ANIONS
“ Un àtom pot perdre o guanyar electrons, convertint-se en un àtom del mateix
element, carregat elèctricament, anomenat ió ”
Quan un àtom perd un o més electrons, es converteixen en un ió amb càrrega elèctrica
positiva, anomenat catió; en canvi, si en guanya es converteix en un ió amb càrrega
negativa, anomenat anió.
No obstant això, quan els anomenem ho fem amb la paraula ió (ni catió ni anió),
excepte quan es tracti d’un ió que es forma per la pèrdua d’electrons d’un element no-
metàl·lic, en aquest cas utilitzarem la paraula catió.
Però també hi ha agrupacions d’àtoms amb càrrega elèctrica i, per tant, també són
ions (ions poliatòmics). Per exemple, l’ió amoni, , l’ió oxoni,
o l’ió hidròxid,
.
Exemples:
EXERCICI: completeu la següent taula:
Isòtops Protons Neutrons Electrons Isòtops Protons Neutrons Electrons
612C
1123Na
613C
2656 2+Fe
614C
2656 3+Fe
1735Cl
1735 -Cl
1737Cl
816 2-O
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
7
Hem de tenir en compte que la forma general d’expressar un isòtop (àtom) d’un
element X (el que sigui) és la següent:
On:
X és el símbol de l’element químic
A és el nombre màssic (la suma del nre. de protons i del nre. de neutrons)
Z és el nombre atòmic (el nre. de protons al nucli)
n és la càrrega positiva o negativa si es tracta d’un catió o d’un anió,
respectivament. Evidentment, en un àtom neutre n = 0 i no es posa res.
Només explicaré un parell d’exemples, la resta queda com a treball pels lectors.
Comencem pel més senzill: . Si comparem amb l’expressió general que acabem de
veure, ,deduïm que:
A = 12; Z = 6 i n = 0.
Per tant, el nombre de protons (que és el nombre atòmic, Z) és de 6.
El nombre de neutrons el calculem a través de la relació que ja hem vist abans:
Així, el nombre de neutrons serà:
Com que n = 0, això vol dir que es tracta d’un àtom neutre (no és un ió), així que tenint
en compte aquesta afirmació:
“ En un àtom neutre el nombre de protons del nucli coincideix amb el nombre
d’electrons a la capa electrònica “
Podem afirmar que el nombre d’electrons ha de ser igual al nombre de protons –o nre.
atòmic, Z–, és a dir, el nombre d’electrons és de 6, també.
Ara ja podem ompli les caselles corresponents:
Isòtops Protons Neutrons Electrons
612C 6 6 6
Ara farem el següent: . El procediment sempre és el mateix. Comparem a
l’expressió general: i deduïm que:
A = 56; Z = 26 i n = 3 i positiu.
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
8
Per tant, el nombre de protons (que és el nombre atòmic, Z) és de 26.
El nombre de neutrons el calculem a través de la relació que ja hem vist abans:
Així, el nombre de neutrons serà:
En aquest cas no és un àtom neutre, ja n 0, és a dir, es tracta d’un ió carregat
positivament, altrament dit catió. Però un catió és un àtom que ha perdut electrons
respecte els electrons que tindria un àtom neutre, així que no tindrà 26 electrons, sinó
menys. Quants? Doncs ens hem de fixar amb el nombre que està al costat del signe
positiu (en aquest cas): 3. Així el nombre d’electrons en aquest ió serà el que tindria si
fos neutre menys 3 (que són els que ha perdut i donen lloc a la càrrega positiva 3+):
nre. d’electrons = 26 – 3 = 23
Ara ja podem omplir els buits corresponents:
Isòtops Protons Neutrons Electrons
1123Na
2656 2+Fe
2656 3+Fe 26 30 23
Pels anions és exactament el mateix, però en comptes de restar electrons, se sumen.
Quants? Doncs tants com indiqui la càrrega negativa associada a l’anió.
Com podeu veure, no hi ha més dificultat matemàtica que comparar i deduir A, Z i n.
Després restar o sumar els electrons “extres” si l’àtom és un catió o un anió,
respectivament.
1.2.3.5 INTRODUCCIÓ A LA TAULA PERIÒDICA
En l’actual taula periòdica, els elements estan ordenats per ordre creixent de nombre
atòmic, Z, (és a dir, per ordre creixent de nombre de protons en els seus àtoms) i en
files (en horitzontal), de manera que els elements que tenen propietats químiques i
físiques semblants queden situats en les mateixes columnes (en vertical). A les files
d'elements les anomenen períodes i n'hi ha 7, numerats de l'1 al 7 començant per la
part superior. No tots tenen el mateix nombre d'elements: el període 1 en té 2,
l'hidrogen i l'heli; els períodes 2 i 3 en tenen 8 cadascun; els períodes 4 i 5 en tenen 18
cadascun; i els períodes 6 i 7 en tenen 32 cadascun.
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
9
A les columnes hi queden les famílies o grups d'elements semblants. N'hi ha 18
numerades de l'1 al 18 començant per l'esquerra. Algunes famílies tenen nom propi
com el grup 1 (alcalins), el 2 (alcalinoterris), el 16 (calcògens), el 17 (halògens) i el 18
(gasos nobles). Igual que passa amb els períodes tampoc tenen el mateix nombre
d'elements: el grup 1 i el 18 en tenen 7; els grups 2, 13, 14, 15, 16 i 17 en tenen 6; els
grups del 4 al 12 en tenen 4; i el grup 3 en té 32 (s'hi inclouen els 14 lantànids i els 14
actínids que tots ells són molts semblants a l'element que els dóna nom, el lantani i
l'actini, respectivament).
Tanmateix hi ha l'hidrogen que està situat amb el grup dels alcalins, a l'esquerra, i no
comparteix propietats amb ells, de fet són completament diferents. La raó d'aquesta
posició de l'hidrogen és que comparteix configuració electrònica2 amb la resta
d'alcalins.
Figura 3. Taula periòdica dels elements
1.2.3.5.1 CARÀCTER METÀL·LIC
El caràcter metàl·lic està relacionat amb les propietats físiques i químiques dels
elements. Aquest caràcter disminueix a mesura que ens desplacem cap a la dreta per
un període, i per això el caràcter dels primers grups és molt més gran que el dels
últims.
2 A la capa electrònica més externa –de fet, l’hidrogen només en té una–, hi ha el mateix nombre
d’electrons que a la capa electrònica més externa dels alcalins: 1 e-.
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
10
Metalls de transició
Al mig de la taula periòdica, entre els grups 2 i 13, hi ha 10 grups anomenats metalls de
transició. Reben aquest nom perquè el formen elements metàl·lics amb propietats que
varien gradualment d'esquerra a dreta. Els més importants són el ferro i el coure.
Lantànids i actínids
Al peu de la taula hi ha dues grans famílies de metalls, la família dels lantànids i la
família dels actínids. S'anomenen així perquè comencen amb en lantà i amb l'actini. Els
elements que formen cada família tenen entre si propietats molt semblants, per això
s'agrupen i s'estudien conjuntament.
Elements artificials
Els elements compresos entre l'element 93 (neptuni) i el final, juntament amb els
elements de nombre atòmic 43 (tecneci) i 61 (prometi), són elements artificials
obtinguts als laboratoris de física nuclear.
1.2.3.5.1.1 METALLS, NO-METALLS I SEMIMETALLS
Una altra classificació molt útil dels elements és la que es basa en el seu caràcter
metàl·lic. Aquesta classificació ens permetrà estimar el tipus d’enllaç químic (i, en
conseqüència el tipus de compost format) que tindrà lloc quan es combinen els
diferents elements químics.
Figura 4. Metalls, no-metalls i semimetalls
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
11
1.2.3.5.1.1.1 PROPIETATS
A. Metalls
I. La major part dels elements són metàl·lics.
II. Els metalls tendeixen a perdre electrons, per formar cations.
III. Tots són sòlids a temperatura ordinària, 20 °C, excepte el mercuri i el franci,
que són líquids. Fixeu-vos que a la Figura 3, la temperatura és de 30 °C.
IV. Des del punt de vista físic, els metalls es caracteritzen per la seva brillantor
metàl·lica, pel fet de ser, mal·leables (es poden reduir a làmines fines) i
dúctils (es poden estirar en fils).
V. Són bon conductors de l'electricitat i de la calor.
VI. La densitat dels metalls és molt variable, encara que sol ser elevada.
VII. Molt poques vegades s'utilitzen els metalls purs, ja que les seves propietats
metàl·liques són millors quan formen aliatges (mescles homogènies de dos
o més elements, dels qual un, com a mínim, ha de ser un metall): acer (Fe-
C), llautó (Cu-Zn), bronze (Cu-Sn).
B. No-metalls
I. Són pocs (uns 17, sense comptar els semimetalls quan actuen com a no-
metalls).
II. Els no-metalls tendeixen a guanyar electrons, per formar anions.
III. Uns són gasos, com l'hidrogen, l'oxigen, el nitrogen, el fluor i el clor; el brom
és líquid i la resta són sòlids.
IV. No tenen brillantor metàl·lica, ni són mal·leables ni dúctils.
V. La majoria no són bons conductors de l'electricitat ni de la calor.
VI. La densitat dels no-metalls sol ser baixa (molts són gasos).
VII. Formen una àmplia varietat de compostos, tant amb els metalls (compostos
iònics) com entre si (compostos covalents).
C. Semimetalls
I. Aquest elements a vegades es comporten com a metalls i a vegades com a
no-metalls, depenent de les condicions a les que siguin sotmesos (pressió,
temperatura, etc.), d’aquí el seu nom.
II. Són semiconductors, ja que només condueixen l'electricitat en
determinades condicions.
III. Entre els semimetalls hi ha el silici i el germani, components bàsics en la
fabricació de transistors.
“ En general, la combinació de dos elements no-metàl·lics, mitjançant un enllaç3
covalent, dóna lloc a un compost covalent, mentre que la combinació d’un element
metàl·lic i un no-metàl·lic, mitjançant un enllaç iònic, dóna lloc a un compost iònic “
3 És la unió entre àtoms d’un mateix element o d’elements diferents.
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
12
Així, si es combinen sofre, S, i oxigen, O, com tots dos son elements no-metàl·lics,
obtindrem un compost covalent. Però si es combinen sofre, S, i ferro, Fe, com que el S
és no-metàl·lic i el Fe és metàl·lic, s’obtindrà un compost iònic.
Exercici: indiqueu quin tipus de compost es formarà en combinar els següents
elements. Dades: no-metalls: C, O, Cl; metall: Fe. Raoneu la resposta:
Elements Tipus de compost (raonat)
C O Covalent, ja que tots dos elements són no-metalls
Fe Cl Iònic, ja que el Fe és un metall i el Cl és un no-metall
2 NOMENCLATURA I FORMULACIÓ QUÍMICA
2.1 INTRODUCCIÓ
Al igual que a la nostra vida quotidiana ens referim a un recipient obert, d’una forma
determinada, fet de diferents materials (vidre o plàstic, normalment), la funció del qual
es contenir i transportar un líquid amb la finalitat de beure’l, com a “got” i escrivim les
grafies (símbols) “g”, “o” i “t” juntes per escriure el que volem dir quan pensem en
aquest recipient, al món químic ens veiem en la necessitat de disposar d’un llenguatge
propi de la Química, un llenguatge químic que ens serveixi per anomenar i escriure els
símbols de les espècies químiques.
En un principi, quan es coneixien poques espècies químiques no calien gaire normes
per nombrar-les i s’utilitzaven símbols que no ens informaven gaire sobre els seus
elements constituents, ja que també es desconeixien (no estaven ni ben definits els
conceptes d’element, d’àtom, etc.). Amb l’experimentació i el avenç de les tècniques
de laboratori, gràcies al avenç tecnològic, es comença a obtenir valuosa informació
sobre compostos (i la seva composició, que serà la que ens doni una fórmula) i
elements que abans romanien ocults al ésser humà. Amb la síntesi orgànica de
compostos orgànics, el nombre de compostos coneguts es dispara... Són milers i milers
de compostos als que se’ls ha de posar nom i no pot ser un nom qualsevol, ja que
cadascú té propietats físiques i químiques diferents i els hem d’identificar de forma
única. És evident que es necessita crear un conjunt de normes per tal de sistematitzar
tot aquest procés.
La nomenclatura química és el conjunt de normes (regles) que estableixen la forma de
designar, -és a dir, la forma d’anomenar-, les diferents espècies químiques (substàncies
simples, ions, compostos) i els noms trivials admesos o rebutjats. Les normes són
establertes per la IUPAC (Unió Internacional de Química Pura i Aplicada) i adaptades a
cada llengua.
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
13
La formulació química és el conjunt de normes (regles) que estableixen la forma
d’escriure, mitjançant símbols i nombres senzills, els noms de les diferents espècies
químiques. Les normes també són establertes per la IUPAC i adaptades a cada llengua.
En aquest curs no entrarem en conèixer aquestes normes, però haurem de reconèixer
algunes fórmules i saber de quina espècie química s’està parlant. Per què? Perquè el
temari indica que es tractin les reaccions químiques i no es poden explicar si no sabem
què és una fórmula química (o el nom de l’espècie química que representa). I, a més,
és necessari per fer l’última pràctica d’aquest bloc, en la qual s’ha d’entendre el procés
de trencament i formació d’enllaços de les espècies químiques que hi intervenen en
una reacció química. Anirem poc a poc, tranquils...
2.2 ÀTOMS, MOLÈCULES, COMPOSTOS I FÓRMULES QUÍMIQUES
Si bé l’àtom és la mostra representativa més petita d’un element, només els gasos
nobles (que són substàncies simples) es troben com a àtoms aïllats a la naturalesa.
Una molècula és un conjunt de dos o més àtoms units (enllaçats) estretament. Aquests
àtoms poden ser d’un mateix element o d’elements diferents.
Molts elements es troben a la naturalesa en forma molecular, és a dir, dos o més
àtoms del mateix elements es troben enllaçats entre sí formant una molècula discreta
(és el cas d’algunes substàncies simples).
Per exemple, l’oxigen contingut a l’aire que respirem consisteix en molècules que
contenen dos àtoms d’oxigen. Representem aquesta forma molecular de l’oxigen per
la fórmula química O2 (es llegeix “o dos”). Una molècula formada per dos àtoms
s’anomena molècula diatòmica. A la troposfera es troba altra combinació d’àtoms
d’oxigen, en aquest cas, són tres els àtoms d’aquest element que es combinen per
formar una molècula diferent: la molècula d’ozó, que es representa per la fórmula
química O3. Encara que les dues substàncies simples són constituïdes per oxigen,
presenten propietats físiques i químiques que les diferencien –l‘oxigen és un gas
inodor necessari per la vida i l’ozó és un gas amb un olor acre i és tòxic– (per aquest
mateix motiu han de tenir noms i fórmules diferents).
Els elements que normalment estan en forma de molècules diatòmiques són
l’hidrogen, l’oxigen, el nitrogen i els halògens. Així que quan parlem d’hidrogen ens
referirem a H2, si no especifiquem altra cosa –hidrogen atòmic: H–. Això passarà també
amb la resta d’elements que hem citat:
Fórmula Nom
H2 hidrogen
O2 oxigen
N2 nitrogen
F2 fluor
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
14
Fórmula Nom
Cl2 clor
Br2 brom
I2 iode
O3 ozó
H hidrogen atòmic
Els compostos formats per molècules s’anomenen compostos moleculars. Per
exemple, una molècula d’aigua està formada per un àtom d’oxigen i dos àtoms
d’hidrogen, per tant, la seva fórmula química és H2O (no es posa un subíndex 1 al
costat de l’oxigen, se sobreentén que hi és).
Altre compost molecular format també per hidrogen i oxigen és el peròxid d’hidrogen
(vulgarment anomenat “aigua oxigenada”), la fórmula química del qual és H2O2. Tots
dos compostos presenten propietats ben diferents.
Fixeu-vos que totes aquestes substàncies simples i els compostos moleculars que hem
vist fins ara contenen elements no-metàl·lics.
Una fórmula química és la representació dels elements que formen una espècie
química (substància simple, ió, compost) mitjançant els seus respectius símbols
químics i de la proporció en què s’hi troben, mitjançant l’ús d’uns subíndexs numèrics
–en general, nombres enters4–, situats a la dreta d’aquests símbols.
Hi ha diferents tipus de fórmules químiques. Bàsicament n’hi ha dos: fórmula empírica i
fórmula molecular. La fórmula molecular, de vegades, ens interessa expressar-la d’una
forma semidesenvolupada i, d’altres, d’una forma totalment desenvolupada, per tenir
més detall de com els àtoms del diferents elements estan enllaçats (units) entre sí
dintre de l’espècie química a formular. Si, a més, ens interessés la disposició espacial
dels àtoms hauríem de representar una fórmula estructural.
2.2.1 FÓRMULA MOLECULAR
Les fórmules químiques que indiquen el tipus d’àtoms i el seu nombre dins d’una
molècula s’anomenen fórmules moleculars.
“ La fórmula molecular s’escriu ajuntant els símbols dels elements que es troben
combinats, amb subíndexs que indiquen quants àtoms de cada element són presents
a la molècula. El subíndex 1 se sobreentén i no s’escriu ”
Espècie química Fórmula molecular
aigua H2O
amoníac NH3
4 Hi ha uns compostos en què això no es compleix i s’anomenen “berthòl·lids”, per exemple: Fe0.83O
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
15
Espècie química Fórmula molecular
àcid sulfúric H2SO4
ozó O3
oxigen O2
diòxid de carboni CO2
etè (o etilè) C2H4
Totes les que vistes fins ara són fórmules moleculars (a excepció de l’hidrogen atòmic,
és clar, que no reuneix les condicions per anomenar-se molècula).
Fixeu-vos, de nou, que tots els elements que constitueixen aquestes molècules són no-
metalls.
2.2.2 FÓRMULA EMPÍRICA
“ La fórmula empírica d’un compost ens indica la classe d’àtoms que el formen i en
quina proporció mínima s’hi troben ”
Podríem dir que, en la fórmula empírica, els àtoms dels elements que formen el
compost tenen com a subíndexs els nombres enters els més petits possibles.
Per exemple, el peròxid d’hidrogen, –la fórmula molecular del qual és: H2O2–, tindria
com a fórmula empírica HO. Fixeu-vos que el que hem fet és dividir entre 2 els
subíndexs de la fórmula molecular; o sigui que, per obtenir la fórmula empírica a
partir de la fórmula molecular el que fem és simplificar els subíndexs, és a dir, dividir
els subíndexs de la fórmula molecular per un factor comú a tots els subíndexs,
sempre que es pugui fer. Quan aquest procediment no és possible, la fórmula
molecular i la fórmula empírica coincideixen, com és el cas de l’aigua.
Compost Fórmula molecular Fórmula empírica
peròxid d’hidrogen H2O2 HO
etè (o etilè) C2H4 CH2
aigua H2O H2O
Com hem vist, és possible obtenir la fórmula empírica si coneixem la fórmula
molecular, però el pas invers no es compleix, si no tenim més dades (obtingudes des
de l’experimentació: per exemple, les dades obtingudes en la combustió d’aquest
compost). Així, si sabem que un compost té una fórmula empírica CH2, no podem saber
si la seva fórmula molecular és C2H4, C3H6, C4H8,...., C1000H2000,... si no tenim més dades.
En un cristall de sal comuna hi ha, alternativament, un ió Na+ per cada ió Cl- i no es
formen molècules separades les unes de les altres. La fórmula de la sal comuna podria
ser Na100Cl100, Na50Cl50, Na10Cl10,..... Però els químics han escollit com a fórmula de la
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
16
sal comuna NaCl, és a dir, la que té com a subíndex nombres enters els més petits
possibles. Així, els compostos iònics només tenen fórmula empírica.
2.2.3 REPRESENTACIÓ DE MOLÉCULES
La fórmula molecular ens dóna informació sobre la composició de la molècula, però no
mostra com s’enllacen els àtoms per formar la molècula. En els casos que necessitem
saber com estan enllaçats els àtoms entre sí, bé parcialment o totalment, recorrerem a
les fórmules semidesenvolupades o a les fórmules desenvolupades, respectivament.
Si, a més, ens interessés la disposició espacial dels àtoms hauríem de representar una
fórmula estructural (que sol indicar la distància d’enllaç, l’angle que formen els
enllaços o l’ús de perspectives en diagrames 2D o 3D).
Nom Fórmula empírica
Fórmula molecular
Fórmula semi-desenvolupada
Fórmula desenvolupada
Fórmula estructural
aigua H2O H2O H–O–H
metà CH4 CH4
etè (o etilè) CH2 C2H4 CH2=CH2
peròxid d’hidrogen
HO H2O2 HO-OH
oxigen O2 O2 O O O O
nitrogen N2 N2 N N N N
diòxid de carboni
CO2 CO2 O C O
En aquestes fórmules observem uns nous símbols: enllaços simples, dobles i triples:
Símbol Tipus d’enllaç
covalent Força de l’enllaç
Distància d’enllaç (entre àtoms enllaçats)
– simple (un parell d’e–)
forta la més llarga
doble (dos
parells d’e–) més forta que en el simple
més curta que en l’enllaç simple
triple (tres
parells d’e–) molt més forta que en simple
(més forta que en el doble) la més curta
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
17
Observem també que a la fórmula estructural de la molècula de peròxid d’hidrogen
(aigua oxigenada), hi ha un enllaç en forma de falca negra, amb el seu extrem agut
apuntat a un àtom d’oxigen i amb l’altre extrem apuntant a un àtom d’hidrogen. Ens
indica que l’àtom d’hidrogen situat a l’esquerra de la fórmula estructural –en aquesta
figura– surt del pla del paper (que conté als dos àtoms d’oxigen). També podem
observar una altra falca discontínua que ens indica que l’altre hidrogen, el de la dreta,
s’enfonsa darrera del pla del paper.
Això també es pot observar a la fórmula estructural del metà. A més, en aquesta
s’observen dos enllaços (C-H) que ni sobresurten del pla ni s’hi enfonsen: hi són al
mateix pla del paper.
Com més forta és la força d’enllaç d’un enllaç determinat, més energia haurem de
subministrar per trencar-lo. Així, necessitarem més energia per trencar un enllaç triple
que un enllaç doble i més energia per trencar un doble que un simple.
Recordeu-vos de les pràctiques amb models moleculars!!!
Recordeu també que els extrems de molècules, els àtoms de les quals estan units per
enllaços simples, (H2, per exemple) es podien moure sense cap dificultat, però no així
els de les molècules amb doble enllaç (O2, CO2) i molt menys els de les molècules amb
triple enllaç (N2).
3 REACCIONS QUÍMIQUES En els processos en els quals existeix un canvi físic, la naturalesa bàsica de les
substàncies que intervenen no sofreix cap alteració. Per exemple, en els canvis
d'estat, la substància que canvia d'estat segueix sent la mateixa: en vaporitzar aigua
líquida obtenim vapor d'aigua, tant la substància que teníem a l'inici –aigua líquida–
com la qual obtenim al final del procés –vapor d'aigua– són la mateixa substància:
aigua. No obstant això, les seves propietats físiques canvien d'un estat a l'altre (estat
d'agregació, conductivitat elèctrica, conductivitat tèrmica, densitat, calor específica,
etc.). En aquest cas, la substància que sofreix un canvi físic, no experimenta cap canvi
en la seva composició.
Una reacció química (o canvi químic) és un procés en el qual unes substàncies (o
espècies químiques) inicials, amb unes propietats característiques determinades,
denominades reactius, es transformen en altres substàncies (o espècies químiques)
finals, denominades productes de la reacció, les quals tenen altres propietats
característiques diferents a les dels reactius. Es podria dir que es produeix un canvi en
la naturalesa bàsica de les substàncies. Les substàncies inicials i finals són totalment
diferents, encara que els àtoms que formaven les substàncies inicials són els mateixos
que els que trobem al final de la reacció, se han reagrupat de manera diferent.
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
18
En les reaccions químiques es produeixen canvis en l'estructura electrònica deguts al
trencament d'enllaços químics de les espècies químiques inicials (reactius) i la formació
de nous enllaços químics per formar noves substàncies (productes de la reacció). En
canvi, en les reaccions nuclears, els canvis es produeixen en l'estructura nuclear i del
seu estudi s'ocupa la branca de la Física, coneguda com a Física Nuclear.
Essencialment, podríem dir que en una reacció química, la composició de les
substàncies que s'obtenen (productes de la reacció) és completament diferent a la de
les substàncies que les van originar (reactius). Per exemple, en exposar un clau de
ferro a l'aire, observem que, amb el temps, el clau adquireix una tonalitat marró–
vermellosa: el ferro ha estat oxidat per l'oxigen contingut en l'aire i s'ha format una
capa d'òxid de ferro (II) sobre la superfície del clau exposada a l'aire. La composició
d'aquest òxid (ferro i oxigen), que és el producte de la reacció, és diferent a la
composició del ferro (ferro) i a la de l'oxigen (oxigen), que són els reactius de la
reacció.
En general, els canvis químics tenen associats uns canvis energètics, estudiats per una
subdivisió de la branca de Química Física, denominada Termodinàmica Química. Així, si
una reacció desprèn energia direm que és una reacció exotèrmica i si, per contra, la
reacció química necessita absorbir energia direm que és una reacció endotèrmica.
Moltes vegades, el que interessa més d’una reacció química no és la reacció en sí, sinó
l’energia que desprèn.
3.1 LLEI DE CONSERVACIÓ DE LA MASSA (LLEI DE LAVOISIER)
“En les reaccions químiques, la massa total de les substàncies que reaccionen
(reactius) és igual a la massa total de les substàncies que s'obtenen (productes de la
reacció)”
Matemàticament, podem expressar aquesta llei com: ∑ ∑
Exercici: en la descomposició tèrmica de 10 grams d'òxid de platí (IV), PtO2, s'han
obtingut 8.59 g de platí metàl·lic, Pt. Se sap que en la reacció s'ha desprès una certa
quantitat de gas oxigen, O2. Podries ajudar-nos a trobar-la?
Reactiu Productes de la reacció
PtO2 Pt O2
Massa (g) 10 8.59 x
m m(reacti vos) (productos) m (PtO2) = m (Pt) + m (O2) 10 g = 8.59 g + x
x = 10 g - 8.59 g = 1.41 g O2 ; x = 1.41 g O2
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
19
3.2 L’EQUACIÓ QUÍMICA
3.2.1 CONCEPTE D’EQUACIÓ QUÍMICA
Una equació química és una representació matemàtica d'una reacció química,
utilitzant els símbols químics per representar, mitjançant fórmules químiques, als
reactius i als productes que intervenen en ella, separats aquests per una fletxa (→) que
indica “es transforma(en) en” o “per formar o obtenir” i amb un símbol de summa (+)
entre els diferents reactius i entre els diferents productes obtinguts, significant en el
primer cas “reacciona amb” i en el segon cas “i”. Haurem d'indicar l'estat físic de les
substàncies que intervenen en la reacció: sòlid (s), líquid (l), gas (g), vapor (v) o
dissolució aquosa (aq), al costat dret de les fórmules que les representen i com a
subíndex.
Per exemple: el propà, hidrocarbur gasós saturat, reacciona amb l'oxigen per formar
diòxid de carboni i aigua líquida:
→
En aquesta reacció, el propà i l'oxigen són els reactius i el diòxid de carboni i l'aigua són
els productes de la reacció. En l'equació química indiquem l'estat físic de les
substàncies que intervenen (en aquest cas, tres gasos i un líquid). Les fórmules de les
espècies químiques que actuen de reactius se separen per un símbol més (+), igual que
les de les quals actuen com a productes. La fletxa separa els reactius dels productes i
ens indica que els primers es transformen en els segons o que a partir dels primers es
formen o s’obtenen els segons.
3.2.2 AJUSTAMENT O IGUALACIÓ D’UNA EQUACIÓ QUÍMICA
Atès que la massa no es crea ni es destrueix, sinó que només es transforma (Llei de
conservació de la massa), han d'haver-hi els mateixos àtoms de cadascun dels
elements que intervenen en la reacció química, a un costat i a l'altre de l'equació
química, és a dir, en els reactius i en els productes. Si observem l'equació química
anterior veiem que això no es compleix: a la zona dels reactius comptem amb 3 àtoms
de carboni, 8 d'hidrogen i 2 d'oxigen; mentre que a la zona de productes comptem
amb 1 àtom de carboni, 2 d'hidrogen i 3 d'oxigen. En aquest cas, diem que l'equació
química no està ajustada (o igualada). Hem de realitzar ara, en conseqüència, el
procés que els químics denominem ajustar o igualar l'equació química.
Bàsicament, es tracta de trobar uns nombres, anomenats coeficients estequiomètrics,
que posarem davant de cada espècie química que intervingui en la reacció amb la
finalitat de que hi hagi el mateix nombre d'àtoms de cada element tant en els reactius
com en els productes.
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
20
Podem seguir 2 mètodes principals: el del tempteig i l'algebraic (o mètode dels
coeficients indeterminats). Deixarem el mètode algebraic per a cursos superiors, ja
que requereix uns coneixements matemàtics més profunds d’àlgebra (matrius).
En el mètode del tempteig no hi ha una “recepta” que ens doni la solució perfecta, és
el primer que hem de tenir clar. L'experiència ens proporcionarà la destresa suficient
per igualar qualsevol reacció química. No obstant això, poden seguir-se una sèrie de
consells:
1. Igualar els àtoms dels metalls.
2. Igualar els àtoms dels no–metalls, excepte l'hidrogen i l'oxigen.
3. Igualar després els àtoms d'hidrogen.
4. Igualar, finalment, els àtoms d'oxigen.
5. Repassar si cal modificar els passos 1 i 2.
El punt 1 i el punt 2 es podria redefinir com:
Igualar els àtoms dels metalls o els dels elements que es trobin en el menor
nombre d'espècies que intervinguin en la reacció.
Continuarem amb l’exemple anterior:
→
Seguint el mètode del tempteig, observem que no hi ha àtoms de metall (punt 1), però
sí d'un no–metall: el carboni (punt 2). Començarem per aquest element. Observem
que hi ha 3 àtoms de carboni en els reactius (formant part del C3H8) i 1 àtom de
carboni en els productes (CO2), per la qual cosa haurem de col·locar el coeficient
estequiomètric 3 davant del CO2, amb el que aconseguirem que hi hagi el mateix
nombre d'àtoms de carboni en els reactius i en els productes:
→
Recordem que mai modificarem els subíndexs de les fórmules químiques, doncs
canviaríem l'espècie química (no posaríem, en aquest cas, C3O2, doncs ja no seria CO2).
Li toca el torn ara a l'hidrogen (punt 3): a l'esquerra (reactius) de l'equació química
veiem que hi ha 8 àtoms d'hidrogen (formant part del C3H8), mentre que a la dreta
(productes) tan sols hi ha 2 (formant part de l'H2O), per la qual cosa haurem de
col·locar com a coeficient estequiomètric el valor de 4 davant de la molècula d'aigua,
de manera que tinguem el mateix nombre d'àtoms d'hidrogen a un costat i a l'altre de
la fletxa de l'equació química:
→
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
21
Finalment, és el moment de l'oxigen (punt 4): a l'esquerra només hi ha 2 àtoms
d'oxigen (formant part de la molècula d'oxigen, O2), mentre que a la dreta hi ha 10
d'aquests àtoms del mateix element (6 àtoms -3 x 2- formant part del CO2, i 4 àtoms -4
x 1- formant part de l'H2O), per la qual cosa haurem de col·locar com a coeficient
estequiomètric de l'oxigen el valor de 5:
→
Ja tenim l'equació química perfectament ajustada (o igualada, o balancejada, segons
altres autors) pel mètode del tempteig, que és el que normalment se segueix per a
equacions químiques que representin reaccions químiques senzilles.
Si escrivim l’equació anterior utilitzant fórmules desenvolupades o estructurals,
podrem adonar-nos dels enllaços que es trenquen i dels que es formen:
+ → +
+
→
+
Observem que s’han de trencar:
A la molècula de : 8 enllaços C-H (enllaços simples carboni-hidrogen).
A les molècules d’ : 5 enllaços O=O (1 enllaç doble oxigen-oxigen, per cada
molècula d’oxigen).
I s’han de formar:
A les molècules de : 6 enllaços C=O (2 enllaços dobles C=O, per cada
molècula de diòxid de carboni).
A les molècules d’ : 8 enllaços O-H (2 enllaços simples O-H, per cada
molècula d’aigua).
Així mateix, podem comprovar que hi ha el mateix nombre d’àtoms dels diferents
elements, tant a l’esquerra com a la dreta de la fletxa en l’equació química igualada, la
qual cosa esperem en complir-se la llei de la conservació de la massa en les reaccions
químiques:
ÀTOMS DELS ELEMENTS REACTIUS PRODUCTES
C 3 3
H 8 8
O 10 10
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
22
3.3 UNA REACCIÓ IMPORTANT: LA COMBUSTIÓ
Aquesta equació química que hem vist amb detall és un exemple de la representació
d’una reacció química de combustió.
Una combustió és una reacció d’oxidació-reducció5 que es desenvolupa amb
despreniment d’energia i de llum.
En una reacció de combustió, els reactius reben uns noms particulars: combustible i
comburent.
El combustible és la substància que s’oxida (perd electrons) en una reacció de
combustió (reduint el comburent) i és susceptible de produir energia aprofitable.
L'energia continguda en el combustible, un cop alliberada, es pot transformar
parcialment en altres tipus d'energia, es pot emmagatzemar, transportar i utilitzar en
el moment desitjat. A cada transformació, a la mateixa combustió, al transport i a cada
procés una part de l'energia inicial es perd en forma d'energia no aprofitable o energia
no útil.
Hi ha diferents tipus de combustibles:
Sòlids: carbó, fusta, torba, etc.
Líquids: gasoli, querosè, gasolina, bioalcohol, biodièsel, etc.
Gasosos: gas natural, GLP (gasos liquats del petroli: propà, butà, etc.)
També s’anomenen combustibles (nuclears) a les substàncies emprades a les
reaccions de fissió o de fusió nuclears, però aquestes reaccions no són pròpiament
unes reaccions de combustió.
El comburent és la substància que oxida al combustible (reduint-se, és a dir, guanyant
electrons) en una reacció de combustió. En general, el comburent està associat a la
presència de l’element oxigen en la substància.
El comburent més econòmic és l’aire, amb un 21 % en volum d’oxigen molecular, O2.
Els peròxids, els clorats, els nitrats –tots ells amb oxigen com a component– també són
bons agents oxidants i, en conseqüència, bons comburents.
Depenent de la composició del combustible, els productes de la reacció de combustió
amb oxigen poden variar:
5 En una reacció d’oxidació-reducció (reacció redox) tenen lloc dos processos químics a l’hora: una
oxidació i una reducció. En l’oxidació, una espècie química s’oxida, és a dir, perd electrons. Aquesta espècie química s’anomena reductor. En la reducció, una espècie química es redueix, és adir, guanya electrons (els que ha perdut el reductor) i l’anomenem oxidant.
SEMINARI DE FÍSICA I QUÍMICA MATÈRIA: CIÈNCIES DE LA NATURALESA
NIVELL: 2n d’ESO. FÍSICA I QUÍMICA CURS 2013-2014
23
Si el combustible només conté hidrogen, s’obtindrà vapor d’aigua (no es
formarà diòxid de carboni, òbviament, perquè el combustible no té carboni).
Si el combustible conté hidrogen i carboni –com és el cas dels hidrocarburs–,
s’obtindrà vapor d’aigua (H2O (v)) i diòxid de carboni (CO2 (g)), si la combustió és
completa (la qual cosa ens podem assegurar subministrant un excés de
comburent, és a dir, un excés d’oxigen); i vapor d’aigua (H2O (v)) i diòxid de
carboni (CO2 (g)) i monòxid de carboni (CO (g)), si la combustió és incompleta.
Si bé el diòxid de carboni no és considerat tòxic, és un dels responsables de l’efecte
hivernacle. En canvi, el monòxid de carboni és altament tòxic a determinades
concentracions. El monòxid de carboni es combina amb l'hemoglobina per a produir
carboxihemoglobina, que no és efectiva per a portar l'oxigen als teixits corporals.
Aquesta condició es coneix com a anoxèmia. Concentracions tan baixes com 667 ppm
de CO podrien causar que fins el 50% de l'hemoglobina del cos es converteixi en
carboxihemoglobina. Un nivell del 50% de carboxihemoglobina podria provocar
entumiment, coma, i la mort.